电工电子技术教案.ppt

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1、电气技术基础1（电工技术基础）,南京工业职业技术学院,按要求参加实验 培养良好的实验素质注重实践技能的培养掌握常用实验仪器的功能及使用方法理论与实践相结合，互相促进，全面提高及时完成实验报告,课程的地位、作用及内容框架1.电气类、电子类专业的基础课程，掌握电工基本知识及分析方法、掌握常用电工仪器仪表的使用，为后续课程学习及技能训练打下必要电工基本知识及技能基础。2.课程内容共分为六个单元模块，每个单元设置所必须的知识点、基本技能训练及提高技能训练。3.课程目标是培养学生电气技术术基础理论分析及应用能力，培养学生安全操作、仪器仪表使用、故障处理方法、实践操作规范、常用软件的使用等基本实践能力。培

2、养学生的团队协作、勇于创新、敬业乐业的工作作风。,课程整体预设能力目标1.常用电工仪器仪表熟练使用2.典型电路分析应用能力3.电工操作技能：按图接线、数据测量、故障分析4.电路仿真应用能力,课程单元任务：1.阻抗匹配及负载最大功率测试 2.日光灯线路及功率因数提高 3.三相负载星型及三角形电路测试 4.微分及积分电路测试 5.同名端及变压器 6.非正弦信号仿真,后续相关课程：电子技术基础、电机及其控制、电力电子、检测、工厂供电、电气调速等,1 课程的主要内容：介绍教材目录内容电路理论 直流电路 交流电路 暂态电路 非正弦周期电路磁路理论 磁路 变压器 电磁铁,2 课程的实践动手能力要求：实验、

3、实训要求3 课程学习的要求：课堂学习、课后复习、课 后作业及习题练习4课程成绩：平时成绩：平时课堂学 习、出勤、作业及配套练习册、实验、期末5 作业一周交一次,模块一 直流电路（1）,主要内容:1.电路的基本物理量 2.电压和电流的正方向 3.电路的工作状态 4.电路的基本定律,电路和电路图,电路:是电流的通过的路径.,一 电路的组成和作用,中间环节,负载,扩音机电路示意图,信号源（电源）,1.电路的作用（1）电能的传输和转换（2）信号的传递和处理2.电路的组成（1）电源（2）负载（3）中间环节,电路的作用与组成部分,电路元件的理想化,在一定条件下突出元件主要的电磁性质，忽略其次要因素，把它近

4、似地看作理想电路元件。,由理想电路元件组成的电路就是电路的电路模型。,电路与电路模型,实际电路：,电路模型：,I,手电筒的电路模型,返回,电流,电荷的定向移动形成电流。电流的大小用电流强度表示，简称电流。电流强度：单位时间内通过导体截面的电荷量。,大写 I 表示直流电流小写 i 表示电流的一般符号,正电荷运动方向规定为电流的实际方向。电流的方向用一个箭头表示。任意假设的电流方向称为电流的参考方向。,如果求出的电流值为正，说明参考方向与实际方向一致，否则说明参考方向与实际方向相反。,电压、电位和电动势,电路中a、b点两点间的电压定义为单位正电荷由a点移至b点电场力所做的功。,直流U、交流u,单位

5、、测量方法,电压的实际方向规定由电位高处指向电位低处。与电流方向的处理方法类似，可任选一方向为电压的参考方向,例：当Va=3V Vb=2V时,U1=1V,最后求得的U为正值，说明电压的实际方向与参考方向一致，否则说明两者相反。,U2=1V,+U1-,U2,对一个元件，电流参考方向和电压参考方向可以相互独立地任意确定，但为了方便起见，常常将其取为一致，称关联方向；如不一致，称非关联方向。,如果采用关联方向，在标示时标出一种即可。如果采用非关联方向，则必须全部标示。,电动势是衡量外力即非静电力做功能力的物理量。外力克服电场力把单位正电荷从电源的负极搬运到正极所做的功，称为电源的电动势。,1、电动势

6、:电源力将单位正电荷从电源的负极移到 正极所作的功。E=W/q 符号E，单位V2、电动势的方向：规定为电源力推动正电荷运动的方向，即从负极指向正极的方向，也就是电位升高的方向。3、常用电压源：（1）电池（2）太阳能电池（3）发电机（4）电子电源4、电动势的符号和方向表示,电功率,电场力在单位时间内所做的功称为电功率，简称功率。,功率与电流、电压的关系：,关联方向时：p=ui,非关联方向时：p=ui,p0时吸收功率，p0时放出功率。,例：求图示各元件的功率.（a）关联方向，P=UI=52=10W，P0，吸收10W功率。（b）关联方向，P=UI=5(2)=10W，P0，吸收10W功率。,（2）电能

7、,式中电压的单位为伏特【V】，电流单位为安培【A】，时间的单位用秒【s】时，电能（或电功）的单位是焦耳【J】。,日常生产和生活中，电能（或电功）也常用度作为量纲：1度=1KWh=1KVAh=3.6,2 电位,在分析电路时，常常要用到电位这个概念,两点间的电压就是这两点的电位差(电势差)。,电压是两点的电位差,而电路中某点的电位在计算中与零电位点的选择有关，没有确切值，只是一个相对值。应特别注意！,因此，在计算电位时，必须选择电路中某点作为参考点，其电位称为参考电位，通常设其为零。,求S打开和闭合时a点电位为多少？,S闭合时b点电位为“地”电位0,S打开时电路为一个闭合全电路,a,a,电位值是相

8、对的,参考点选得不同，电路中其它各点的电位也将随之改变；电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考点的不同而改变。,注意：电位和电压的区别,说 明：,电压和电位的单位都是V(伏特)、kV(千伏)或mV(毫伏)等。,参考点在电路图中应标上“接地”符号“”，含义为电位等于0V(0伏特)。,例题：如图，(a)图可根据电位的概念等效为(b)图。,欧姆定律,欧姆定律：流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比。,或者表示为：,欧姆定律的单位：在SI中，电阻为欧姆()或者为千欧(k)、兆欧(M),根据电路上所选电压和电流方向的不同，欧姆定律的表达式有着不同的符号：,当电流和电压的正方向定义为关联方向时，欧姆定律如

9、(1)式,(1),欧姆定律,当电流和电压的正方向定义为非关联方向时欧姆定律如(2)式,(2),应用欧姆定律对如下各图列出表达式，并求出电阻值。,例题,对于(a)图,对于(b)图,对于(c)图,对于(d)图,例题,计算图中电阻R的值，已知Uab=-12V,解：a点电位比b点电位低12V n点电位比b点电位低7V m点电位比b点电位高3V于是：n点电位比m 点电位低7+3=10V即Unm=-10V,电路的工作状态,最简单的电路为直流电路，本节讨论电路的工作状态、开路状态和短路状态，所讨论的内容有电流、电压及功率等方面的特性。,如图电路：,Us 为电源的电压,U 为电源的端电压,R0 为电源的内阻,

10、R 为电路负载电阻,一.有载工作状态,当开关闭合，电源与负载接通，即电路处于有载工作状态。,电路中的电流为 I=Us/(R0+R),当电源电压 Us和内阻R0一定时负载电阻R愈小，则电流I愈大。,或写成 U=Us-IR0,可见电源端电压小于电源电压，二者之差为电源内阻的电压降IR0即 U=Us-IR0 为电源外特性关系式,有载工作状态,当式U=Us-IR0各项乘以电流I时，得到 UI=UsI-I2R0或 P=PE-P,单位：在SI中功率的单位是瓦特(W)或千瓦(kW),例题,已知:电路中，U=220V，I=5A，内阻R01=R02=0.6。求:(1)电源的电动势Us1和负载的反电动势Us2；(

11、2)说明功率的平衡关系。,例题1-3.,解：(1)对于电源 U=Us1-IR01 即 Us1=U+IR01=220+50.6=223V U=Us2+IR02 即 Us2=U-IR01=220-50.6=217V,例题,(2)由上面可得，Us1=Us2+IR01+IR02等号两边同时乘以 I，则得 Us1 I=Us2 I+I2R01+I2R02代入数据有 223 5=217 5+52 0.6+5+52 0.6 1115W=1085W+15W+15W。,其中Us1I是电源产生的功率；Us2I是负载取用的功率；I2R01是电源内阻上损耗的功率；I2R02是反电动势电源(负载)内阻上损耗的功率。可见电

12、路具有功率平衡特性。,电气设备的名牌.,电气设备或元器件的标定值通常标注在其名牌上或记载在说明书中，这些标定值都是给定的额定值，如UN表示额定电压、IN表示额定电流、PN表示额定功率。在使用电气设备或元器件时不得超过其额定值，以免影响其正常使用甚至使其遭到损坏。,注意：电气设备工作时的实际值不一定都等于其额定值，要能够加以区别。,满载、过载、欠载,额定值为1W、100的碳膜电阻，在使用时电流和电压不得超过多大值？,答：由功率P与电阻R的关系公式P=I2 R 或 P=U2/R,二.开路工作状态,如图电路：当开关断开时，电路则处于开路(空载)状态。,开路时，外电路的电阻为无穷大，电路中的电流 I

13、为零。,电源的端电压(称为开路电压或空载电压 U0)等于电源的电动势，电源不输出电能。,电路开路时的特征为,I=0,U=U0=Us,P=0,三.短路工作状态,当电源两端由于某种原因而联在一起时，称电源被短路。,短路时，可将电源外电阻视为零，电流有捷径流过而不通过负载。,由于R0很小，所以此时电流很大，称之为短路电流 Isc。,U=0,I=Isc=Us/R0,P=P=I2 R0,电路短路时的特征为,基尔霍夫定律,根据欧姆定律分析电路，已是中学物理中常用的分析方法，但对某些电路有时是无能为力的。,为此本节讨论基尔霍夫定律，它亦是分析与计算电路的基本方法，适合线性电路及非线性电路。,名词、概念,1.

14、支路：电路中的每一个分支，称为支路。它是由若干个二端元件串联而成。,2.节点：电路中三条或三条以上的支路相联结的点称为节点。,a,b,c,d,一条支路中各部分都流过一个相同的电流，称为支路电流。,名词、概念,回路：,网孔：网孔是回路，,a,b,c,d,定律(1)KCL,a,c,d,如图 节点 a：I1+I2=I3,b,c,在任一瞬时，流向某一节点的电流之和等于由该节点流出的电流之和。,由此，KCL亦可表示为：,如图：3个电阻的节点A、B和C可看成为广义节点。,A,B,C,IAB,ICA,IBC,IA,IB,IC,对于节点A、B及C，可分别列出KCL方程：,IAIABICA,IBIBCIAB,I

15、CICAIBC,IA+IB+IC=0即 I=0,广义节点：,广义节点,I1+I2=I3,广义节点,I=0,定律(2)KVL,由KVL可得：Us2=I2R2+I3R3,基尔霍夫定律(KVL):对电路中的任一回路，沿任意绕行方向转一周，其电位降等于电位升。或，电压降的代数和恒为零。,a,c,d,b,c,R1,R2,R3,Us2,Us1,IR=US 或 U=0,广义回路:,直流电路(2):电路的等效变换,电阻的连接及其等效变换电源模型及其等效变换受控源及其等效变换,电阻串并联及其等效变换,一、电阻的串联两个或更多个电阻一个接一个地顺序连接，这些电阻通过同一电流，这样就称为电阻的串联。,电阻的串联可用

16、一个等效的电阻代替：R=R1+R2分压公式：U=U1+U2其中：U1=I R1=U2=I R2=,测量直流电压常用磁电式伏特计，测量交流电压用电磁式伏特计,二、电阻的并联,两个或更多个电阻联接在两个公共的节点之间，这种联接方法称为电阻的并联。,并联时，各支路具有相同的电压。,并联电阻的等效值R可表示为：,也可表示为：,式中G称为电导，是电阻的倒数。,两个电阻并联时，各电阻中的电流分别为：,并联电阻的分流公式,并联时，一电阻中的分得的电流与该电阻成反比。,并联电阻愈多总电阻就愈小，总电阻小于其中任一电阻。,电流的测量,电阻的混联计算举例,分析：由a、b端向里看，R2和R3，R4和R5均连接在相同

17、的两点之间，因此是并联关系，把这4个电阻两两并联后，电路中除了a、b两点不再有结点，所以它们的等效电阻与R1和R6相串联。,【解】Rab=R1+R6+(R2/R3)+(R4/R5),习题,计算图中a、b间的等效电阻。,Rab=2,例 题：,如图复联电路，R1=10,R2=5,R3=2,R4=3,电压U=125V,试求电流I1。,解:(1)R3、R4串联,(2)R2 与 R34并联,等效为：R234=R2R34/(R2+R34)=2.5,R34=R3+R4=2+3=5,(3)总电阻R可看成时R1与R234的串联,R=R1+R234=10+2.5=12.5,(4)电流 I1=U/R=125/12.

18、5=10A,第二节电阻的Y-联结及其等效,一、电阻Y形联结和形联结 1 电阻Y形联结：2 电阻形联结：二、电阻的Y形和形的等效变换 1 等效变换的条件：2 例题分析,如图所示是一种具有桥形结构的电路，其中的电阻既非串联又非并联。R1、R3、R5构成了一个Y形连接（星形连接），其中各个电阻都有一端接在一个公共节点上；R1、R2、R5构成了一个形连接（三角形连接），其中各个电阻分别接在3个端子的每两个之间；,电阻的Y形连接和 形连接的等效变换,公式：Y-变换：,电阻的Y形连接和 形连接的等效变换,公式：-Y变换：,二、电阻的Y形和形的等效变换 1 等效变换的条件：,计算图中a、b间的等效电阻。,1

19、,2,5.5,1,2,a,b,3,1 1,2,1,a,b,11/3,根据电路，考虑电阻的/联接变换公式,c,电源模型及其等效变换,一个实际电源，若用电路模型来表示，可认为将其内阻R0和电压源Us串联起来等效：,R,(a)非标准电路图；,(b)标准等效电路图；,(c)电压源模型等效电路。,一、电压源,将任何一个电源，看成是由内阻R0和电动势的电压Us串联的电路，即为电压源模型，简称电压源。,Us+,R0,U,R,I,由电路可知：U=Us-IR0,当电源开路时：I=0，U=U0=Us,当电源短路时：U=0，I=IS=Us/R0,电压源外特性,由电源外特性方程U=Us-IR0可得到其外特性曲线。,U

20、s+,R0,U,R,I,电压源,理想电压源,电,压,源,U,I,0,U0=Us,IS=Us/R0,外特性曲线,由横轴截距可知，内阻R0愈小，则直线愈平。,当R0=0时，端电压恒等于电压源电压Us，为定值；而电流I为任意值 I=Us/R 称其为理想电压源(恒压源)。,电压源外特性,当一电压源内阻R0远小于负载电阻RL时(即R0RL)，内阻压降IR0U,于是UUS，,U0=Us,外特性曲线,常用的稳压电源可近似认为是理想电压源。,对于电压源 U=Us-IR0当各项除以R0后，,二、电流源,得,或 I=IS I,其中：IS=Us/R0,I=U/R0,根据电流关系得到新的等效电路电流源模型定值电流IS

21、与内阻R0的并联,Us+,R0,U,R,I,根据上述关系式，I=IS I,当R0=时，I=IS 为定值。而负载两端的电压U=IR为任意值，由负载电阻R和电流 IS 决定，称之为理想电流源或恒流源。,或,根据上述关系式，可知电压源与电流源之间的变换关系：,由上述推导的关系可知，IS=Us/R0 以及内阻R0 不变。,Us+,R0,U,R,I,三、电压源与电流源的等效变换,注意事项：,实际电源可以用两种电路模型表示 电压源和电流源。电压源与电流源之间可以相互变换。Us与IS的方向相反、内阻R0的数值保持不变；电源变换只对外电路等效，而对内电路则不等效。恒压源与恒流源之间不能进行变换；R0为0或都无

22、意义。,试计算1电阻中的电流 I：,解：,试计算1电阻中的电流 I：,(a),第四节 受控源及其等效变换,一、受控源类型,受控源的电压或电流是电路中其它部分电压或电流的函数,压控电压源(VCVS),u2=u1,转移电压比(无量纲常数),流控电压源(CCVS),u2=i1,转移电阻(电阻量纲),+u1,+u2,压控电流源(VCCS),i2=g u1,g 转移电导(电导量纲),i2,i1,流控电流源(CCCS),i2=i1,转移电流比(无量纲常数),含受控源的实际电路举例,独立电压源,独立电压源,受控电流源,受控电压源,(理想),(实际),二、受控源的等效变换,与独立电源等效变换相同：,受控电压源

23、,受控电流源,例 将CCCS CCVS,因为本题受控源的控制量 I1 恰好是并联内阻上的电流，应先把 I1 转化为不会消去的电流 I：,I=I1 3I1=2I1,受控电流源 3I1=1.5I,转化为受控电压源：1.5I 10=15I,+15I,三、含受控源单口网络(无独立源)的简化,例 求所示单口网络的等效电阻,设想在端口加电压源 U,R0=(1)R,+U,例 求所示电路的等效电阻,1.5I,+1.8I,1.2,+U,R0=U/I=8,R0=8,在分析计算复杂电路的各种方法中，支路电流法是最基本的。支路电流法的理论依托是基尔霍夫定律。支路电流法的出发点是以电路中各支路的电流 为未知变量，然后根

24、据基尔霍夫定律列方程组并求解计算。,直流电路（3）：支路电流法,(1)纵观整个电路，有a、b两个节点；三条支路；两个网孔。(2)设各支路电流分别为I1、I2及I3，作为待求未知变量。(3)应用KCL，根据节点列方程，对于节点a 有：I1+I2=I3,(4)应用KVL，根据电路的网孔列出方程，-I3R3+Us1-I1R1=0-I3R3+Us2-I2R2=0,节点电压法,如图电路有一明显特点只有两个节点 a 和 b。节点间的电压 U 称为节点电压，在图中设其正方向由a指向b。通过如下推导可得出节点电压的计算公式。,U=Us1 I1R1U=Us2 I2R2U=Us3+I3R3U=I4R4,由各支路的

25、电压关系,对于节点a应用KCL，可得：,进而有,U=,+=0,I1+I2I3 I4=0,展开整理后，即得到节点电压的公式：,+,=,1R,(),弥尔曼定理：适合电路只有两个节点。,应用节点电压法求如图电路中的电流。,解：,其中Us1=140V,Us2=90V,R1=20,R2=5,R3=6,I1,I2,b,=60V,I1=,=,=4A,I2=,=,=6A,I3=,=,=10A,叠加原理,概念：对于线性电路，任何一条支路中的电流，都可以看成是由电路中各个电源(电压源或电流源)分别作用时，在此支路中所产生的电流的代数和。,所谓电源的单独作用，即是在电路中只保 留一个电源，而将其它电源去掉(将电动势

26、用短路线代替、将恒流源断开);电路中所有的电阻网络不变(电源内阻保持原位不变)。,叠加原理的应用,b,=,I1=,Us2,Us1,b,b,I1,I2,Us1,I3,R1,R2,R3,a,b,同样，I2、I3亦可求得：,Us1,Us2,R2 R1 R2+R2 R3+R3 R1,Us1,I3=,Us2,I3=,应用叠加原理的注意事项：,应用叠加原理计算复杂电路，就是把一个多电源的复杂电路化为几个但电源电路来计算。叠加原理就是现性方程的可加性，前面方法几三的电压和电流都是线性方程，所以支路电流和节点电压都可以用叠加原理来求解。功率的计算与电流或电压都不具有线性关系，所以不能用叠加原理来求解功率。如前

27、面电路中R3的功率P3:,用叠加原理求下图所示电路中的I2。,12V电源单独作用时：,7.2V电源单独作用时：,根据叠加原理:I2=I2+I2=1+（1）=0,戴维南定理,在有些情况下，只需计算电路中某一支路中的电流，如计算右图中电流 I3，若用前面的方法需列解方程组，必然出现一些不需要的变量。,为使计算简便些，这里介绍等效电源的方法。,等效电源方法，就是复杂电路分成两部分。待求支路、剩余部分有源二端网络。,I1,I2,b,无源二端网络：二端网络中没有电源,有源二端网络：二端网络中含有电源,“等效”是指对端口外等效，即R两端的电压和流过R的电流不变。,注意：,有源二端网络 等效电源,有源二端网

28、络，即是其中含有电源的二端口电路，它只是部分电路，而不是完整电路。,I1,R1,R2,有源二端网络,不论含源二端网络如何复杂，都可以对待求支路等效为一个电源，具有相同的端口电压U和电流 I。,I1,Us1,R1,R2,I2,Us2,有源二端口网络能够由等效电源代替，这个电源可以是电压源模型(由一个恒压源与内阻R0串联)也可以是电流源模型(由一个定值电流I与一个内阻R0并联)，由此可得出等效电源的两个定理。,有源二端网络 等效电源,RL,a,b,U,I,Us,R0,戴维南定理,定理：任何一个有源二端线性网络都可以用一个理想电压源和一个内阻R0串联的电压源来等效代替。,电压源的 Us的数值为有源二

29、端网络的开路电压U0。,内阻 R0 的数值为有源二端网络去源后的网络电阻(令电动势为零，用短路线代替；令恒流源为零，将其开路)。,戴维南定理的应用,用戴维南定理计算支路电流I3,解：根据戴维南定理，去掉待求支路后的开路电压Uo为：,b,其中Us1=140V,Us2=90V,R1=20,R2=5,R3=6,内阻R0为：,则I3为,I3=U0/(R0+R3)=10A,例题：求图中电流IG。,解：根据戴维南定理，将右图分成二端有源线性网络(如下左图),和,待求支路(如下中图),待求支路的开路电压U0如下：,代入数据，得,U0,V,待求支路的网络电阻R0,将有源二端线性网络化成等效电压源：,V,a,和,则：,A,戴维南定理 练习题,1.如图所示有源二端网络，用内阻为50k的电压表测出开路电压值是30V，换用内阻为100k 的电压表测得开路电压为50V，求该网络的戴维南等效电路。,有源,U0,二端网络,US=（30/50）RS+30 US=（50/100）RS+50,Rs=200 k US=150V,负载获得最大功率的条件,*R0=RL,Pm=,用戴维南定理计算图中2电阻中的电流,根据戴维南定理，将待求支路断开。,计算有源二端线性网络的开路电压U0，即,计算有源二端线性网络的等效电阻R0，即,进而可得到2电阻中的电流为,